Las baterías de flujo, una tecnología viable

Estimados Amigos de la Movilidad Eléctrica,en esta oportunidad veremos una vieja tecnología aplicada con nuevos brios.

Saludos cordiales

Ing. Ricardo Berizzo

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Las baterías de flujo, una tecnología viable.

Es muy interesante observar como  tecnologías que fueron dejadas de lado tiempo atrás se desempolvan hoy favorecidas por diversos factores, como por ejemplo, una tecnología de control más sofisticada, menores costos, necesidad de descarbonizar  el planeta, etc. Tal es el caso de  este tipo de dispositivos. En 1884, Charles Renard usó por primera vez una enorme batería de flujo de más de 450 kilos para propulsar el gigantesco dirigible La France. En los años 50 y 70 se realizaron avances a la hora de almacenar energía en líquidos. De hecho, la NASA produjo la primera batería de flujo redox de hierro y cromo.

Hoy ante la necesidad de que las energías renovables se encarguen del grueso de nuestras necesidades energéticas, regular su intermitencia  es uno de los grandes retos a superar. Algo que llevará a una maximización del sistema eléctrico que tendrá un elevado costo económico, o al uso de sistemas de almacenamiento en su mayor parte con un costo muy elevado. Pero hay soluciones ya en funciones que pueden ayudar a facilitar esta transformación del sector.Las baterías de flujo redox (oxidación/reducción).

 

Una tecnología que hoy  nos ofrece una alternativa viable técnica y económicamente para ser un respaldo para las energías renovables, pero también como alternativa al gas natural o el carbón para cubrir los picos de demanda.

La noticia en https://redflow.com/redflow-anaergia-update-december-2021/, nos dice que:

La empresa australiana Redflow acaba de poner en marcha la que es su mayor instalación de baterías de flujo hasta la fecha. El sistema de almacenamiento está formado por 192 baterías de flujo de zinc-bromuro, diseñado para almacenar hasta 2 MWh de energía y ayudar a reducir los picos de demanda en una planta de bioenergía en California.

Una solución que en vez del litio, optar por un sistema de bromuro de cinc (ZnBr2) que se almacena en dos tanques. Un tanque almacena el electrolito positivo y el otro el negativo. Se trata de una reacción reversible que genera electricidad cuando ocurre y que puede volver a su origen aportando la misma.

El proyecto ha permitido crear una microrred formada por las baterías, un sistema de acondicionamiento de biogás para apoyar una unidad de cogeneración alimentada con biogás de 2 MW y un sistema de control de la microrred. El sistema de batería se compone de 12 módulos de 160 kWh cada uno agrupados en cuatro cadenas y conectados a cuatro inversores Dynapower de 125 kW por unidad.

Entre los beneficios de esta tecnología está su elevada vida útil. Según sus desarrolladores, pueden soportar más de 10 años de uso sin notar pérdida de rendimiento en unos procesos de carga y descarga que pueden llegar al 100%. Una cifra que podemos comparar con el 60% de las baterías de plomo, o el 80-90% de las de litio.

Detalle de funcionamiento básico

Una batería de flujo redox trabaja con energía eléctrica y energía química en forma de electrolito líquido. Entre varios tipos de baterías de flujo, la batería de flujo redox de vanadio es la más desarrollada. Cada celda dispone de dos electrodos de vanadio (con distintos estados de oxidación), separados por una membrana, a través de los cuales se bombea el electrolito y en los que se producen reacciones de oxidación-reducción, alterándose el estado de oxidación del vanadio, según tome o ceda electrones.

La estructura y las reacciones de carga-descarga de las baterías de flujo redox de vanadio se muestran esquemáticamente en la figura siguiente. Durante la descarga, se produce una reducción en el cátodo y la oxidación en el ánodo, como se muestra en las ecuaciones (descarga: →, carga: ←). Mientras ocurren estas reacciones redox, los iones de protones se difunden a través de la membrana y los electrones se transfieren a través de un circuito externo.

 

El voltaje de celda estándar para las baterías de flujo redox completamente de vanadio es 1.26 V. A una temperatura, un valor de pH y concentraciones dadas de especies de vanadio, el voltaje de la celda se puede calcular según la ecuación de Nernst:

(La ecuación de Nernst se utiliza para calcular el potencial de reducción de un electrodo fuera de las condiciones estándar (concentración 1 M, presión de 1 atm, temperatura de 298 K o 25 °C))

Diversas combinaciones

Almacenan energía en dos sustancias solubles contenidas en  dos tanques externos de electrolitos. Estos electrolitos pueden ser bombeados desde los tanques hasta el conjunto de celdas que consta de dos compartimientos por donde fluye el electrolito separados por una membrana. La operación está basada en una reacción de reducción-oxidación entre las soluciones de electrolitos.

 Los distintos tipos son baterías recargables donde la recarga es proporcionada por dos componentes químicos, disueltos en líquidos contenidos dentro del sistema y separados por la  membrana.

Se pueden combinar diferentes elementos con el correspondiente resultado:

Las baterías de flujo  permiten diseñar de forma independiente el módulo de potencia añadiendo más  celdas  y el módulo de energía (añadiendo más cantidad de electrolito poniendo unos depósitos mayores). Esto proporciona flexibilidad al diseñador, permitiendo ofrecer una solución ajustada a la necesidad que se pretenda satisfacer, bien sea mucha potencia en periodos cortos o una descarga durante períodos más largos.Una batería de flujo es técnicamente similar tanto a una pila de combustible, como a una celda electroquímica (reversibilidad electroquímica).

Aunque tiene ventajas técnicas, tales como depósitos de líquidos separables potencialmente y casi longevidad ilimitada sobre la mayoría de las pilas recargables convencionales. Otro aspecto positivo es que este tipo de acumuladores pueden trabajar en condiciones de calor extremo, hasta 50 grados centígrados, y de forma segura por la separación física de sus componentes y el líquido retardante del que están formados. Factores a los que se suman su facilidad para ser recicladas una vez terminada su vida útil ya que su cuerpo está formado por plástico, aluminio y acero, mientras que el electrolito se puede quitar y limpiar y utilizar en una nueva batería. Por último se aspira a una eficiencia del 99% y una vida útil de 1.900 ciclos.

 

Aplicaciones

Tienen la capacidad de actuar rápidamente ante demandas de energía debido a su alta respuesta de carga/descarga y pueden proporcionar altas potencias durante cortos periodos de tiempo; sin embargo, poseen baja densidad de energía por volumen por lo que es necesario el uso de varias celdas para igualar la potencia en comparación a otras baterías. Como se dijo más arriba, la potencia depende del tamaño y número de electrodos y la capacidad de almacenamiento de energía depende del volumen de los tanques de almacenamiento de electrolitos externos, esto hace el sistema altamente escalable y simple.

 

Ejemplo sobre la red eléctrica: Por ejemplo, considerando de 0 a 24 hs de un día determinado, el precio del  MW-h  y  la procedencia de la producción  de la energía eléctrica, se puede dar la siguiente secuencia.  Durante las primeras horas las baterías comienzan a cargarse, debido a que los precios del mercado son lo suficientemente bajos, período valle, comprando energía entre las horas 1 y 6. Posteriormente, entre las horas 7 y 8, comienzan a subir poco a poco los precios, y las baterías se mantienen en reposo, a la espera de que se alcancen unos precios máximos, período de pico. Uno de estos períodos pico sucede desde el comienzo de la hora 9 hasta el final de la hora 11, donde las baterías venden parte de la energía acumulada y se descargan parcialmente.

Después se mantiene nuevamente en reposo hasta el final de la hora 20 a la espera de un nuevo incremento de los precios. Entre las horas 21 y 22, la batería se descarga completamente, vendiendo la energía restante, no realizándose actuación alguna durante las dos últimas horas del día.

Ejemplo sobre la movilidad eléctrica: Investigadores del Instituto Fraunhofer de Tecnología Química ICT (Alemania),  ven una alternativa en las baterías de flujo redox. "Estas baterías se basan en electrolitos fluidos. Por lo tanto, se pueden recargar en la estación de servicio en unos minutos: el electrolito descargado simplemente se bombea y se reemplaza con líquido recargado", dice el ingeniero Jens Noack de ICT.

"El electrolito extraído se puede recargar en la gasolinera, por ejemplo, mediante una turbina eólica o una planta solar".

Como ya he comentado en otras publicaciones, estoy convencido que en la medida que vamos incorporando generación eléctrica renovable debemos integrar sistemas de almacenamiento de electricidad. Y no hay, no creo que vaya a haber, una tecnología que se imponga totalmente sobre otra. Hay un amplio abanico de posibilidades de aplicaciones tecnológicas y dependerá de las singularidades del proyecto en particular cuál aplicar tanto para sistemas eléctricos como para movilidad eléctrica. 

 

Ing. Ricardo Berizzo

Cátedra: Movilidad Eléctrica

U.T.N. Regional Rosario                                                                                                                                         2022.-